超聲波板狀物測厚儀的製作方法
2023-05-21 09:49:01
專利名稱：超聲波板狀物測厚儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種測量厚度的儀器，尤適於測定竹、木板材的厚度。
背景技術：
CN200510083608·6公開了株式會社迪思科的「測厚儀以及磨削裝置」專利申請技術，該專利申請技術的測距原理，雖然也是採用超聲波的發射與接收的時間來推算厚度，但它兼具測距與磨削雙重功能，有流體的參與，因而有流體膜、流體柱的筒狀體、流體供給體等技術特徵，要求被測板狀物表面有水膜存在，不適於測定乾燥的板狀物。而且它的結構和功能都較複雜，因而生產成本較高。
發明內容
針對現有技術的上述不足，本發明的目的是提供一種專用於板狀物測厚的、沒有流體(水)參與因而可以測定乾燥板狀的、且結構和功能較簡單、生產成本較低的超聲波板狀物測厚儀。
上述目的可以通過如下措施來實現它包含有超聲波發射接收器、溫度傳感器、程序下載接口、液晶顯示器、控制用處理器。
上述目的還以通過如下措施來完善超聲波發射電路中，TXOCO為信號輸入口，電平信號驅動場效應管IRF-7328控制信號的導通與截止，信號經升壓器T1升壓，驅動超聲波發射頭LS2發射超聲波；在超聲波接收電路中，接收頭LS1感應出電壓信號後，輸入一級放大電路，經運算放大器初次放大的信號通過藕合電容CA6後，再輸入二級放大電路進行二級放大，二級放大後的信號輸入比較電路中的比較器的正端，當信號大於負端已設定的電壓值時，比較器輸出端產生低電平，接上位電阻RA5，輸出信號接晶片的ICP埠；超聲波接收電路的一級放大電路中的運算放大器選用MAX5455型；超聲波發射接收器為收發同體型；設定超聲波傳播速度為V，發收的間隔時間為t，則測距為S＝Vt；根據定律，超聲波在理想空氣中的傳播速度公式為V＝vRT/ū。其中ū為氣體摩爾質量、v為氣體比熱比、R為氣體常數、T為熱力學溫度，一般情況下ū、v為定值，R為常數，則傳速V與熱力學溫度T的平方根成正比，溫度越高，傳速越快；0℃時，超聲波的傳速實驗公認定值為331.45米/秒，空氣中的傳速表達式為V=331.45(X+273.16)/273.16]]>(米/秒)，超聲波傳播速度由測得的氣溫計算獲得，即只需將實測的攝氏氣溫填入X中就可算出該氣溫條件下的傳速V，式中273.16為0℃對應的絕對溫度值；超聲波接收電路中的比較電路和晶片結合，在讀取溫度傳感器的數值的同時，還對信號動作作出如下判斷(1)四個波形信號的發射與計時；(2)信號的收到與否；(3)收到信號的時間間隔與停止計時；(4)收到信號的波形數；(5)收到完整信號後的數據處理。
圖1為本測厚儀的超聲波發射接收電路圖。
圖2為本測厚儀的控制及外圍設備電路圖。
圖3為本測厚儀的信號判斷處理程序流程圖具體實施方式
本發明下面將結合實施例並參照附圖予以詳述圖1中右下部分為超聲波發射電路1。在此電路中，TX_OC0為處理器10的PD4埠產生的40KHz信號輸入口，該電平信號驅動場效應管IRF7328控制其導通與截止。通過IRF7328的40KHz的信號再經過T1升壓，得一個峰值電壓為60V的信號從而驅動400ST160超聲波發射傳感器產生40KHz的超聲波。圖中，CB1、CB2為穩壓電容。
圖1中左上部分為超聲波接收放大電路。400SR160是超聲波傳感器接收頭2，當接收到超聲波時，感應出電壓信號，然後輸入一級放大電路3的MAX492CPA運算放大器進行一級放大。RA10、RA12、RA14和MAX5455數字式可變電位器的數值比例數為一級可調增益放大係數。晶片通過SCK、DP_nCS、MOSI埠來調節MAX5455的L2和W2之間的電阻，從而調節一級增益放大倍數。
一級放大後的信號通過CA6藕合電容再輸入二級放大電路4的MAX492CPA運算放大器進行二級放大。RA9、RA13、RA15和MAX5455數字式可變電位器的數值比例係數為二級可調增益放大係數。處理器10通過SCK、DP_nCS、MOSI埠來調節MAX5455的L1和W1之間的電阻，從而調節二級增益放大倍數。
二級放大後的信號輸入比較電路5的比較器LMX331的正端，當信號大於負端已調定的參考電壓時，LMX331的輸出端產生低電平。LMX331的負端的參考電壓由RA3、RA6、CA5組成的分壓器6中RA3和RA6比值來決定。LMX331輸出端接上位電阻RA5，輸出的信號輸入晶片10的內部的定時/計算器的ICP埠。圖中，CA1、CA2、CA3為穩壓電容。
MAX5455具有雙路、256抽頭、加/減控制接口的數字電位器，有256個滑臂定點，可用微處理器進行編程控制，每路可調的電阻範圍為0-100K歐姆。它與傳統的模擬電位器的工作原理結構、外形完全不同。它取消了活動件，是一個半導體集成電路，其優點是沒有噪聲，有極長的工作壽命。MAX5455個SPI(串行)接口的數字式電位器，可通過CS、INC、U/D埠與微處理器相接，通過編程可設定每路的電阻值。
圖2為本超聲波板狀物測厚儀的控制及外圍設備電路圖。處理器10為ATmega 16L-8AI型主控晶片，ISP為程序下載接口8，DS18B20高精度溫度傳感器7通過單總線方式接PBO埠，設置一個ISP(在線編程)埠，以便系統日後進行軟體升級。其中以RMJ12864A液晶顯示器9作為人機界面，以顯示各種測量結果(可以顯示溫度、時間、距離等數值)，上述控制及外圍設備，電子產品市場有售，且連接組合方法的說明，為便於實施本技術，在圖1、圖2中標出了相關器件的型號，以獲得好的實施方式。其中的液晶顯示器9通過8根數據線與晶片10的PA口相接，另三個控制埠分別接處理器的PC0、PC1、PC2埠。如果還需增加其它附加功能，則DS1302時鐘晶片通過模擬串行總線與單片機PC6、PC7埠連接，晶片可精確測出時間數值顯示在液晶顯示器上，以便了解何時對被測對象厚度值進行測量。在本測厚儀中還可加入串口通信埠，用於與上位進行信息交換，採用MAX232ESE作為串口通信晶片，該晶片通過R2OUT、R2IN與單片機的PD0、PD1相連。
圖3為信號判斷處理程序流程圖，首先為初始化(內部資源的分配，I/O口和外圍設備的設置)，再讀取溫度傳感器的數值，接著用處理器10控制超聲波發射頭連續發射四個波形，然後單片機查詢超聲波接收頭有無信號，沒有信號，則調大增益倍數，在有效的時間內直到收到信號為止。考慮到本測厚儀的超聲波為收發同體型，為排除發射頭與接收頭之間的相鄰發收，特設定「延時2ms(毫秒)」的程序，予以除去。當超過有效時間時，程序跳轉到讀取溫度值處，重新開始。當在有效的時間內接收到信號，即停止計時，並做數據處理(溫度值的轉換，距離的計算等)，接下來對該信號進行是否有效性處理，當接收到的為四個完整的信號時，認為此次接收是有效的，顯示結果(距離，溫度等)正確，然後結束；如果接收的不是四個完整的信號，那麼此次接收是無效的(比如信號經過多次折射，衰減)，程序跳轉到讀取溫度值處，重新開始。
本測厚儀在測板狀物厚度時，需實測兩次值後相減獲得，首次測量測厚儀到板狀物擱置基臺的距離(H)，再測量測厚儀到板狀物上表面的距離(S)，板厚D＝H-S。
本發明相比現有技術具有不需液體參與，不影響對乾燥板狀物的測定；體積小，攜帶方便；單一完成測厚功能，生產成本低等優點。
權利要求
1.一種超聲波板狀物測厚儀，包含有超聲波發射接收器，其特徵是測厚儀還包含有溫度傳感器(7)、程序下載接口(8)、液晶顯示器(9)、控制用處理器(10)。
2.如權利要求1所述的超聲波板狀物測厚儀，其特徵是超聲波發射電路(1)中，TXOCO為信號輸入口，電平信號驅動場效應管IRF-7328控制信號的導通與截止，信號經升壓器T1升壓，驅動超聲波發射頭LS2發射超聲波；在超聲波接收電路中，接收頭LS1(2)感應出電壓信號後，輸入一級放大電路(3)、經運算放大器初次放大的信號通過藕合電容CA6後，再輸入二級放大電路(4)進行二級放大，二級放大後的信號輸入比較電路(5)中的比較器的正端，當信號大於負端已設定的電壓值時，比較器輸出端產生低電平，接上位電阻RA5，輸出信號接入晶片的ICP埠。
3.如權利要求2所述的超聲波板狀物測厚儀，其特徵是所說的超聲波接收電路的一級放大電路(3)中的運算放大器選用MAX5455型。
4.如權利要求1或2或3所述的超聲波板狀物測厚儀，其特徵是所說的超聲波發射接收器為收發同體型。
5.如權利要求1所述的超聲波板狀物測厚儀，其特徵是設定超聲波傳播速度為V，發收的間隔時間為t，測距為S＝vt；根據定律，超聲波在理想空氣中的傳播速度公式為V＝νRT/ū。其中ū為氣體摩爾質量、ν為氣體比熱比、R為氣體常數、T為熱力學溫度，一般情況下ū、ν為定值，R為常數，則傳播速度V與熱力學溫度T的平方根成正比，溫度越高，傳速越快；0℃時，超聲波的傳速實驗公認定值為331.45米/秒，空氣中的傳速表達式為 超聲波傳速由測得的氣溫計算獲得。
6.如權利要求1-5中任一項所說的超聲波板狀物測厚儀，其特徵是所說的超聲波接收電路中的比較電路(5)、處理器(10)結合，在讀取溫度傳感器(7)的數值的同時，還對信號動作作出如下判斷(1)四個波形信號的發射與計時；(2)信號的收到與否；(3)收到信號的時間間隔與停止計時；(4)收到信號的波形數；(5)收到完整信號後的數據處理。
全文摘要
一種超聲波板狀物測厚儀，包含有超聲波發射接收器，溫度傳感器(7)、程序下載接口(8)、液晶顯示器(9)、控制用晶片(10)。超聲波發射電路(1)中，TXOCO為信號輸入口，電平信號驅動場效應管控制信號的導通與截止，信號經升壓器升壓，驅動發射頭髮射超聲波；收接電路中，接收頭(2)感應到電壓信號後，輸入一級(3)、二級(4)放大電路，經二級放大後輸入比較電路(5)，再接上位電阻RA5，最後連接處理器(10)的ICP埠。本發明廣泛應用在各種板狀物的厚度測定，數字顯示快捷、直觀。相比現有技術具有不需液體參與，不影響對乾燥板狀物的測定；體積小，攜帶方便；單獨完成測厚功能，生產成本低等優點。
文檔編號G01B17/02GK1908581SQ20061005283
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月8日 優先權日2006年8月8日
發明者姚文斌, 章英永, 張蔚, 吳曉平 申請人:浙江林學院